视觉假体系统组成及关键技术

如何部分或完全恢复视觉功能是目前神经工程和组织工程领域研究的热门课题,采用神经接口和神经假体方案来部分恢复视觉功能是目前主要的手段.研究者们已经对视觉形成的生理机制有着较为深入的了解,且视觉电刺激假体的出现已经在恢复功能视觉的道路上迈出了重要的一步,但假体系统的设计仍然不成熟,制约着假体的临床应用.假体系统的设计受到研究者们的广泛重视.从假体的系统组成(图像获取和处理装置、能量供给和数据传输装置、刺激电极)和假体的关键技术(微电子技术、封装)两大方面介绍了其最新的研究进展.     

人工视觉假体研究综述(Ⅱ)——视皮层、视神经束、感觉替代假体的研究现状

视皮层、视神经束、感觉替代假体可以弥补由于视网膜功能和结构完全丧失而造成的视力缺失.各种视觉假体有着不同的机制和适用条件.本文从技术角度出发,全面地综述了以上各种视觉假体的国内外最新研究状况,为国内视觉假体研究人员提供国内外最新发展动态.     

基于视觉信息处理的视觉假体研究与设计

由各种视网膜病变导致的视觉丧失已经成为影响人类生活质量最为严重的疾病之一。而随着信息科学、微电子技术、材料科学和生物医学等学科的迅猛发展与交叉,视觉假体的研究使由于视网膜色素变性(retinitis pig-mentosa)、老年性黄斑病变(age-related macular degeneration)以及其它一些眼球、视网膜、视神经和视觉皮层病变与损伤所造成失明情况下的视觉修复成为可能。随着技术的革新,视觉假体在未来发展的最大障碍已不再是假体的设计加工和手术技术,而是如何在假体与大脑之间进行有效信息传递。然而由于人类视觉系统复杂的结构,给视觉假体的制造以及视觉信息电信号映射带来困难。于是,我们将基于有限像素点模拟假体视觉信息,研究图像信息和微电极阵列刺激设计安装策略,通过对视觉假体的视觉信息处理研究,提出了一套基于生物、机械、电子一体化的视觉假体设计方案。     

人工视觉假体研究综述(Ⅰ)——视网膜假体研究现状

如何部分或完全恢复视觉功能是目前神经工程和组织工程领域研究的热门课题,采用神经接口和神经假体方案来部分恢复视觉功能是目前主要的手段.视网膜刺激方案是国内外研究较多和较为成熟的刺激方案.本文从技术角度出发,全面地综述了视网膜假体的机制、优缺点和国内外最新研究状况.     

视觉假体神经刺激器的发展现状和挑战

老年黄斑变性(AMD)和视网膜色素变性(RP)是不可治愈性视网膜疾病致盲的主要原因。针对这两种致盲疾病,研发视觉假体使盲人重见光明已经成为当前科学领域的研究热点之一。而视觉假体刺激器作为视觉假体的关键模块,对传导人工视觉编码信息、获取有效的视觉诱发具有重要的作用。本文首先介绍了多个国际知名视觉假体神经刺激器的设计方案,分析了它们的优缺点。在此基础上,我们着重论述了视觉假体神经刺激器所面临的挑战及未来的发展趋势,包括视觉假体神经刺激器的灵活性设计、低功耗设计和无线数据和能量传输设计。     

视觉功能修复方法

视网膜修复的研究与应用,将帮助因视网膜病变导致失明的盲人重见光明.对当今视觉修复的主要方法,如药物疗法、玻璃体视网膜手术、器官克隆(治疗性克隆)、细胞培养(组织工程)和人工视觉等进行了介绍和比较.在这些解决方案中,人工视觉假体是当今最热门的研究课胚之一,对不同的视觉假体方案进行介绍和比较.最后介绍刺入式多电极阵列的视神经假体的研究新进展.     

基于图像显著性的人工视觉图像处理策略

目的:在假体设备中的视觉信息处理模块引入适当的图像处理策略,优化低分辨率下的人工视觉信息,是解决假体植入者获取的视觉信息有限问题的一种可行方法。方法:基于全局亮度对比度特征的图像显著性检测算法（LC）,结合颜色空间变换和视觉注意力仿真处理模型,提出一种面向视网膜假体人工视觉信息处理策略。通过两个标准图像测试数据集对图像处理结果进行评估,同时对流行病学调查结果选取的盲人常用物体图片进行仿真。结果:评估结果验证了在提取图像前景方面与原始LC算法对比的优越性,仿真结果验证了在人工视觉条件下应用的可行性。结论:本文提出的策略有助于视网膜假体植入者在日常生活场景中更好地完成物体识别等基本视觉任务。     

仿真假体视觉下的人脸识别研究进展

目的：综述基于仿真假体视觉的人脸识别研究的主要进展。方法：回顾了近年来各研究小组基于仿真假体视觉的人脸识别研究进展,讨论假体视觉下人脸识别的可能性,分析了假体视觉下人脸识别的影响因素。结果：在仿真假体视觉下,分辨率和缺失率是影响人脸识别的主要因素,分辨率增加或是缺失率减小,对人脸的识别率有显著提高;其它光幻视参数中,一定程度内的灰度提高对假体下的人脸识别率有显著提高,而点大小、点间隙、对比度对其影响稍小,正方形的光幻视阵列排布的识别率高于六边形和极坐标排布。另外,图像处理策略如基于感兴趣区域的放大和对比度增强等,能帮助被试进行人脸识别。结论：由心理物理学方法得出,在假体视觉下,仍能完成基本的人脸识别任务;改变光幻视的参数或图像处理策略,会影响识别率。这些结果将帮助研究者们优化视觉假体中的信息处理和图像处理策略,并为术后康复训练提供了实验理论依据。     

基于电刺激的外层型人工视网膜的研究进展

外层型视网膜假体采用了MEMS技术,通过植入到视网膜相应部位的电极来刺激神经节细胞,并且能够在大脑皮层视觉区域引起对应的特征电位反应,最终部分恢复生物体的视觉.这种外层型视网膜植入装置可分为眼外和眼内部分.后者功能相对重要,设计也较为复杂.它是由包含MPDA和微电极的刺激芯片及附属装置组成.本篇文章主体包括四部分:首先是视网膜假体的概况;其次是视网膜生理基础和视网膜假体理论的简介;在第三部分,为设计理念和MPDA的制造过程;最后,是对难题的讨论和未来发展的展望.     

基于视觉假体的微阵列电极电刺激器研究综述

基于微机电技术制作的微阵列电极电刺激器广泛应用于康复领域。阵列电极电刺激器作为一种治疗神经损伤的工具,在刺激选择性和控制能力方面都具有优良的性能。视觉假体作为微阵列电极电刺激器中的一种主要应用于眼部疾病的治疗。它是通过对生物组织施加电刺激引起组织兴奋来产生光幻视。视觉假体主要分为视网膜假体和视皮层假体。该文介绍了这两种假体的研究现状,主要对其研究成果进行了总结并展望了微阵列电极未来发展面临的挑战。     

仿真假体视觉下的运动感知研究

为了研究假体佩戴者对于目标物体的运动感知,利用Unity搭建虚拟仿真假体视觉场景,利用遮挡范式下对碰撞时间的估计,探究不同运动方向、运动速度、运动方式、目标物体形状、环境对比度以及各因素下的性别差异对仿真假体视觉下的运动感知的影响。试验结果表明,被试者对于水平方向上的估计要比垂直方向上的估计更准确;对于快速运动的估计准确度要优于相对慢速运动物体的准确度;运动方式因素对估计影响无显著性差异;相同形状下,物体越大,被试者估计的准确性越高且对多角图形的运动比圆润图形的运动更加敏感;不同环境对比度对估计也具有显著性差异;性别对于估计无显著性影响,但不同因素下的结果有区别。     

人工髋关节置换治疗严重髋关节疾病

背景：终末期髋关节疾病施行人工全髋关节置换难度大,涉及面多,包括置换入路、置换中截骨、假体的植入、类型的选择等,专家学者各不相同,意见不统一,争议较多。 目的：探讨人工全髋关节置换治疗终末期髋关节疾病的方法及临床效果。 方法：回顾性分析52例(57髋)人工髋关节置换患者,进行长期随访,随访时间14-86个月,平均随访时间为27个月。随访并记录置换前后(末次随访时)的目测类比评分、Harris评分,分析比较置换前后评分并对结果进行统计学分析。 结果与结论：52例患者中目测类比评分由置换前的(7.0±1.2)分降至置换后的(2.0±0.7)分,Harris评分从置换前的(35.9±5.4)分增加到末次随访的(89.7±3.1)分,与置换前相比差异有显著性意义(P < 0.05)。52例患者置换后均可扶拐或助行器下地行走,3个月后能独立行走,生活自理,X射线评估无假体松动,治疗效果满意。说明精心的置换前准备、科学严谨的操作技术可预防髋部假体松动、感染、疼痛等并发症,置换后科学正确的康复锻炼是减少置换后疼痛、功能最大程度恢复的重要措施。     

基于实例分割和显著性计算的人工视觉多目标优化处理

通过实例分割Swin-Transformer提取分割所有前景对象,融合亮度、大小和位置图像显著性特征,提出模拟人类视觉注意机制的多特征融合注意力层级计算模型,为不同级别的前景物体采用适合的光幻视分辨率和亮度表达,实现不同的刺激编码策略进行层级优化处理。通过人工假体视觉的仿真试验表明,在所提出的多目标层级优化表达策略下,试验被试完成多目标识别的准确率、识别时间表现具有一定的显著提升。利用深度学习实例分割技术,层级化光幻视编码以仿生人类视觉选择性注意,达到增强假体植入者在复杂场景下的多物体感知,为视觉假体图像信息编码和优化处理研究的发展与应用提供参考。     

外部电场作用下的视神经纤维兴奋性的仿真研究

基于刺入式电极的视神经视觉假体,为盲人的视觉修复提供了新的可能性。为了对该视神经假体的电刺激策略和微电极设计提供理论支持,基于真实的电极结构,在COMSOL软件中建立刺入式微电极的外部电场仿真模型,并将其与利用NEURNO软件实现的神经纤维双层电缆模型结合,系统地研究电极与视神经纤维的相对位置、电刺激脉冲宽度以及电极几何结构的改变对视神经纤维兴奋阈值的影响。不同电极位置、刺激脉宽刺激下阈值变化规律的仿真结果,与以往报道的动物实验和仿真实验结果相符,证明了所建模型的有效性。 根据仿真结果,对刺入式视神经假体中刺激脉宽的选择和电极几何结构的设计,建议如下：窄脉宽刺激有利于降低能量消耗;电极锥度的设计要在满足电极力学特性及易于植入视神经的基础上,尽可能地减小,以降低纤维兴奋的阈值;电极的暴露面积越小,纤维兴奋所需的电流阈值越低,但电荷密度阈值越高;较低的电流阈值有利于减少能量消耗,但过高的电荷密度阈值却容易造成组织损伤,因此电极暴露面积的设计需要在耗能与安全性之间进行综合考虑。电极绝缘层厚度的改变对视神经纤维的兴奋阈值没有明显的影响,但从电极插入的难易考虑,应尽可能减小绝缘层厚度。以上结果对人体其他部位神经纤维的电刺激同样具有参考价值     

Review of visual prosthesis (II)--cortical visual prosthesis, optic nerve prosthesis and vision substitution devices

Cortical visual prosthesis, optic nerve visual prosthesis and vision substitution devices are alternative ways for repairing the visual impairment in case of optic nerve injury, retina lose or blindness without fully developed central visual system. This article is a state-of-art review of the principles, technical details and the limitations of different types of prostheses beyond the retinal prosthesis.     

基于多显示技术的多焦视诱发反应图像系统的研究

多焦视网膜电图是一种客观的、无创的视功能检查方法，可以同时反映视网膜多个微小区域的视功能，在眼底疾病的早期诊断上有独特的优势。介绍了基于多显示技术的多焦视诱发反应图像系统的原理与设计，利用Windows98以上的微软操作系统特有的多显示技术，控制图形刺激器对视网膜的各个区域分别进行刺激。然后用特制的电极把由视网膜多个区域产生的混合叠加信号提取出来。经放大、A/D转换后送入计算机。计算机利用快速M变换对混合信号进行分离，从而得到视网膜各个区域的反应信号。该系统具有控制简单，检测效果好，成本低等优点，在临床上有广泛的应用前景。     

股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析

背景：股骨颈保留型(Collum Femoris Preserving,C.F.P)假体为意大利骨科医生Pipino与德国LINK公司联合设计开发。该假体手术操作手册中推荐截骨平面是否适合国人股骨结构特点以及所采用截骨方式是否会引起假体以及股骨应力发生变化,目前尚未见研究报告。 目的：通过临床病例回顾和三维有限元模型分析股骨颈保留型人工全髋关节置换的临床疗效以及应力分布变化。 方法：①回顾分析36例股骨颈保留型全髋关节置换及36例普通生物型全髋关节置换患者临床资料,通过Harris评分、目测类比评分、置换前后偏心距变化、IDES-Engh放射学及并发症等指标评价疗效。②建立两种不同截骨平面股骨颈保留型全髋关节置换有限元分析模型,分析股骨转子间窝上1.5 cm及头颈交界处为截骨平面带来的偏心距差异、股骨以及假体应力分布变化。 结果与结论：①头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换,短期随访临床疗效优良,与普通生物型无明显差别。②有限元分析显示：头颈交界为截骨平面与转子间窝上1.5 cm为截骨平面比较,偏心距增大,假体及股骨所受应力增大,但应力分布相同。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：